哺乳動物遠(yuǎn)緣雜交不育在自然界較為常見，在家養(yǎng)動物中，最具代表性的是牦牛和普通牛的雜交后代——犏牛。雌性犏牛有正常的生育力而雄性由于精子發(fā)生阻斷完全不育。雖然科研人員自上世紀(jì)80年代起就持續(xù)探索犏牛不育的機(jī)制，但導(dǎo)致其雜交不親和性的基因依然沒有得到確定。精準(zhǔn)解析不同類型生殖細(xì)胞基因表達(dá)特征是篩選雜交不育基因的必要過程。由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組測序忽略了不同細(xì)胞基因表達(dá)的異質(zhì)性，無法檢測單個細(xì)胞的基因表達(dá)，目前，犏牛生殖細(xì)胞類型尚未得到精確鑒定，其發(fā)育過程中細(xì)胞命運及狀態(tài)轉(zhuǎn)變的基因表達(dá)動態(tài)也不清楚。

中國科學(xué)院西北高原生物研究所動物生態(tài)與資源保護(hù)研究團(tuán)隊在前期對牦牛、普通牛和犏牛不同發(fā)育時期生精細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對12月齡牦牛和犏牛的睪丸組織進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）分析，結(jié)合已知生殖細(xì)胞標(biāo)記基因的表達(dá)情況，獲得了兩種動物生殖細(xì)胞發(fā)育軌跡和基因表達(dá)譜。結(jié)合標(biāo)記基因、細(xì)胞群高表達(dá)基因和擬時序分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此發(fā)育階段的生殖細(xì)胞可以被定義為五種類型：未分化型精原細(xì)胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細(xì)胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細(xì)胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細(xì)胞2（Diff-SPG2）和精母細(xì)胞（SPCs）。和牦牛相比，犏牛的五種生殖細(xì)胞比例均存在著明顯的差異，其未分化型精原細(xì)胞比例減少，而分化型精原細(xì)胞比例顯著增加，表明其精原細(xì)胞命運決定過程存在異常。通過對各個生殖細(xì)胞亞型的進(jìn)一步比較，發(fā)現(xiàn)了一系列與細(xì)胞增殖和凋亡、精原細(xì)胞分化和減數(shù)分裂進(jìn)入相關(guān)的基因異常表達(dá)。除生殖細(xì)胞外，牦牛和犏牛的體細(xì)胞比例雖然存在差異，但是差異表達(dá)基因較少，尤其是支持細(xì)胞。雖然支持細(xì)胞是生殖細(xì)胞直接接觸的唯一體細(xì)胞，在調(diào)控生殖細(xì)胞發(fā)育中發(fā)揮不可替代作用，但在單細(xì)胞水平，牦牛和犏牛支持細(xì)胞基因表達(dá)細(xì)胞無顯著差別，表明犏牛生殖細(xì)胞基因表達(dá)異常主要受內(nèi)源因素影響。通訊分析發(fā)現(xiàn)，犏牛的五種生殖細(xì)胞間接收和發(fā)送信號的能力降低，且與精子發(fā)生相關(guān)的EGF和FGF信號通路存在異常。體細(xì)胞與生殖細(xì)胞間的通訊在犏牛中也存在異常，表現(xiàn)為生殖細(xì)胞接收到了更多的來自間質(zhì)細(xì)胞的信號。以上結(jié)果表明犏牛的精原細(xì)胞自我更新、分化和減數(shù)分裂進(jìn)入異常，這與基因表達(dá)異常和細(xì)胞通訊失調(diào)相關(guān)。本研究描繪了牦牛生殖細(xì)胞基因表達(dá)圖譜，以此為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)犏牛精原細(xì)胞命運決定和減數(shù)分裂啟動異常，研究結(jié)果為鑒定犏牛雄性不育因果基因提供了重要的數(shù)據(jù)。

相關(guān)研究結(jié)果以 Single-cell analysis identifies critical regulators of spermatogonial development and differentiation in cattle-yak bulls 為題，于4月18日在?Journal of Dairy Science（農(nóng)林科學(xué)1區(qū)TOP期刊）在線發(fā)表。西北高原所博士研究生張譯文為論文第一作者，楊其恩研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1200405），青海省自然科學(xué)基金（2020-ZJ-902）等項目的資助與支持。

論文鏈接：?https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(24)00759-8/fulltext

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示犏牛精原細(xì)胞命運決定異常。A：牦牛和犏牛生殖細(xì)胞單細(xì)胞tSNE聚類圖；B：隨擬時序變化的不同類型生殖細(xì)胞基因表達(dá)特征分析；C：兩種牛精原細(xì)胞和早期精母細(xì)胞比例；D：細(xì)胞通訊分析顯示兩種牛不同類型精原細(xì)胞互作存在顯著差異。未分化型精原細(xì)胞1（Undiff-SPG1）、未分化型精原細(xì)胞2（Undiff-SPG2）、分化型精原細(xì)胞1（Diff-SPG1）、分化型精原細(xì)胞2（Diff-SPG2）和精母細(xì)胞（SPCs）